美國宏偉的太陽能計劃如何解決世界能源危機(jī)
來源：科學(xué)人 | 0評論 | 7853查看 | 2012-06-08 16:28:00
《科學(xué)人》網(wǎng)站上的文章——幻想美國如何在之后的半個世紀(jì)以太陽能解決世紀(jì)能源危機(jī)（A Solar Grand Plan）（以下表述金額皆為美金）
如今汽油及家庭供暖用油價格高漲。美國發(fā)起中東戰(zhàn)事的原因也有保護(hù)境外石油生意的成分。再加上中國、印度及其他國家的化石燃料需求日益增加，圍繞能 源的紛爭日趨熱化。即使在這個情況下，燃燒煤(coal)、天然氣的電廠(power plant)以及鋪天蓋地的車輛依然持續(xù)排放著數(shù)百萬噸的污染物和溫室氣體進(jìn)入大氣，從而威脅著這個星球。
盡管科學(xué)家、工程師、經(jīng)濟(jì)學(xué)家及政治人物們意圖利用各種方法去降低化石燃料的使用量，但那是不夠的。美國需要一個更龐大的計劃才能從化石燃料中抽身。我們的分析促使我們承認(rèn)大規(guī)模轉(zhuǎn)用太陽能才是符合邏輯的方法。
太陽能的潛在能量是無法預(yù)知的。日光照射地表40分鐘的能量相當(dāng)于全球能量消耗1年的份量。很幸運(yùn)的，美國擁有廣大的疆域。西南部適合鋪設(shè)太陽能裝 置的地區(qū)就有超過25萬平方英里，而將這片地域1年吸收的4500兆英熱單位(British thermal units, Btu)的太陽輻射中的2.5%轉(zhuǎn)化為電能的計劃將在2006年配合國家能源消耗推出。
把國家能源來源轉(zhuǎn)換到太陽能需要在大量土地上鋪設(shè)太陽能電池面板(photovoltaic panel)，亦需要架設(shè)一直流電(direct-current, DC)傳導(dǎo)中樞以便高效的在國內(nèi)傳輸電力。
當(dāng)下的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到足夠水平了。接下來要在這里介紹一個可以提供美國電力69%及35%能源（包括傳輸）的偉大計劃。這個太陽能計劃將在2050年 前實施。我們計劃能將這些能源以與現(xiàn)在普通能源的價格出售給客戶，即千瓦小時(kWh)約5分。如果風(fēng)能、生物能量與地?zé)嵬瑯幽芡瓿砷_發(fā)則全國所有的電能 消耗和90%的其他能量消耗都能使用環(huán)保能源。
聯(lián)邦政府需要投資4000億在將來的40年才能完成2050計劃。盡管需要的金額相當(dāng)龐大但是回報是更大的。太陽能廠消耗的能量趨近于無，每年可以 節(jié)省約10億。一間產(chǎn)生的能源相當(dāng)于300間煤電廠再加300間天然氣廠以及它們的運(yùn)行消耗。這個計劃能有效地消除對輸入油的需要，能從根本上解決美國的 財政赤字并舒緩美國與中東及其他地區(qū)的外交問題。而因為太陽能廠是接近無污染的所以這個計劃每年可以減少17億噸溫室氣體的排放，另外由綜合燃料包括太陽 能的汽車取代汽油汽車還可以再減少19億噸由汽油車排放的污染氣體。到2050年時美國的二氧化物排放將會剩下2005平均的62%，推動解決全球暖化。
太陽能發(fā)電田
過去幾年在生產(chǎn)太陽能發(fā)電池及組件的投資相當(dāng)程度上停止了，開始進(jìn)入鋪設(shè)階段。雖然樣式眾多，但是如今最便宜的組件是由鎘碲化合物(cadmium telluride)制造的薄膜。如果要在2020年達(dá)成電力每千瓦時6分錢的話，鎘碲化合物轉(zhuǎn)換電力的效率至少要在14%以上、而系統(tǒng)的安裝則需要降至 1.2元每瓦容量?，F(xiàn)在通用的組建效率約為10%系統(tǒng)安裝費(fèi)用需要4元每瓦。盡管進(jìn)程的速度還需要更快，但是科技的進(jìn)步已經(jīng)很迅速了，過去的12個月中效 率已經(jīng)從9%提升到10%。藉著它的無消耗特性加上技術(shù)逐漸改良，在屋頂上安裝太陽能發(fā)電面板將成為一種有競爭價值的房屋配件，因為它可以大量減輕白天的 能源消耗。
按照我們的計劃，在2050年太陽能發(fā)電技術(shù)將可以產(chǎn)生將近3000億甚至3兆瓦的能量。這需要在3萬平方英里建設(shè)太陽能發(fā)電廠，盡管這個數(shù)字聽起 來很龐大但是架設(shè)這些遠(yuǎn)比現(xiàn)在在西南部架設(shè)煤炭廠和煤礦礦區(qū)要小得多。國家可再生資源實驗室的研究表明西南部有比足夠量還要廣大的可利用區(qū)域，不包括環(huán)境 敏感區(qū)(environmentally sensitive area)、人口集中地區(qū)或地形復(fù)雜地帶。亞利桑那州水土保持部門發(fā)言人Jack Lavelle曾表示該州80%的土地都非私有地且該州對太陽能源的開發(fā)很有興趣。太陽能源可以達(dá)到對環(huán)境造成最小影響。
現(xiàn)在最需要的就是將組件效率提升到14%。盡管通用的組件不會使用如實驗室里的材料但是如今在國家可再生資源實驗室(National Renewable Energy Laboratory)的鎘碲化合物效率已經(jīng)達(dá)到16.5%而且還在上升。同時至少第一家生產(chǎn)商——在俄亥俄州Perrysburg的初創(chuàng)公司 （First Solar）已經(jīng)在2005到2007年間把組件效率從6%提升到了10%且將在2010年達(dá)到11.5%。
加壓洞室(pressurized cavern)
太陽能發(fā)電最大的限制條件莫過于在陰天及夜晚只能生產(chǎn)微量能源。為此在晴天必須儲存?zhèn)溆玫哪茉匆怨┢渌麜r候使用。而大部分能源儲存設(shè)備諸如電池等都很貴而且缺乏效率。
壓縮空氣能源儲存是比較成功的方法之一，即讓太陽能發(fā)電產(chǎn)生的電力將空氣壓縮進(jìn)空曠地下洞室、廢棄礦山、地下水含水層(aquifers)及廢棄天 然氣井中。釋放這些壓縮空氣可以推動生產(chǎn)電力的渦輪機(jī)，只需要燃燒少量天然氣輔助。壓縮空氣能源儲存自1978年起已經(jīng)在德國Huntorf穩(wěn)定運(yùn)行，阿 拉巴馬州的McIntosh也在1991年加入這個行列。這些渦輪機(jī)只需要燃燒原本需要量的40%即可，而更先進(jìn)的熱能回收技術(shù)可以把這個值降低到 30%。
加州Palo Alto電力科學(xué)研究院研究指出現(xiàn)今壓縮空氣能源儲存的成本是鉛酸蓄電池的一半左右。研究同時表示這種設(shè)備會增加3或4分錢每千瓦時的太陽能發(fā)電成本，于是2020年能源價格應(yīng)該是8或9分錢每千瓦時。
從西南部太陽能發(fā)電田生產(chǎn)出的電力經(jīng)過高壓直流電纜傳輸?shù)奖榧叭珖膲嚎s空氣能源儲存設(shè)施，然后由渦輪機(jī)制造全年使用的電力。要達(dá)成這樣目的其關(guān)鍵 就是尋找適合的基地。由天然氣生產(chǎn)商及電力科學(xué)研究院(Electric Power Research Institute)的篩選指出75%適合架設(shè)基地的地點(diǎn)都靠近大都市區(qū)域。確實壓縮空氣能源儲存系統(tǒng)也與天然氣系統(tǒng)有不少相似。天然氣工業(yè)有8兆立方英 尺氣體儲存在400個地下儲存庫中，而我們這個計劃在2050年會需要5350億立方英尺儲存空間給壓縮成每立方英吋1100磅的壓縮氣體。這項開發(fā)會有 一定難度、需要大量的空氣筒但是天然氣生產(chǎn)商一定會有興趣涉及這個領(lǐng)域的。
熱鹽
另一項現(xiàn)今可以供應(yīng)大約五分之一太陽能源的是聚光太陽能發(fā)電(concentrating solar power)。在一面被計算過的長形金屬鏡上反射陽光到一條充滿流體的管子中，被如放大鏡般的效果加熱后的流體經(jīng)過熱能轉(zhuǎn)換器，生產(chǎn)出的蒸汽推動渦輪轉(zhuǎn) 動。為了儲存能量管子會被導(dǎo)入一充滿熔鹽的大型絕緣隔熱罐體中以保持熱效率。熱能會在夜間提取形成蒸汽然后熔鹽慢慢冷卻。所以能源的儲存需要花費(fèi)一整天。
九座總發(fā)電量3.54億瓦（MW）的聚光太陽能發(fā)電廠已經(jīng)在美國持續(xù)提供電力。一座在內(nèi)華達(dá)州的6.4千萬瓦發(fā)電廠也已經(jīng)在2007年3月開始運(yùn) 作，不過這座發(fā)電廠沒有蓄熱。還有一座具有7小時鹽儲存的50MW發(fā)電廠正在西班牙興建，還有更多的電廠在世界開工。這些電廠需要16小時來儲存電力并可 以提供24小時的電能。
現(xiàn)有的聚光太陽能發(fā)電廠證明聚光太陽能發(fā)電是可行的，但是其成本勢必需要降低。規(guī)模和持續(xù)性經(jīng)濟(jì)研究將有助于他們降低成本。在2006年由西部州長 協(xié)會中太陽能專責(zé)小組(Solar Task Force)提出的報告中指出聚光太陽能發(fā)電可以在2015年提供每千瓦時10美分或更低的價格如果有總發(fā)電量超過4百億瓦的電廠進(jìn)入運(yùn)營。設(shè)法提高熱能 轉(zhuǎn)換器的溫度將可提高經(jīng)營效率。工程師也正在研究如何讓熔鹽本身成為熱交換液以減少熱流失及成本。但因為鹽具有腐蝕性所以還需要更有彈性的管道系統(tǒng)。
聚光太陽能發(fā)電與太陽能電池是兩種不同的技術(shù)途徑。但兩者都還沒有完全發(fā)展，所以我們的計劃讓它們都能在2020年大規(guī)模部署，也給它們時間去變得成熟。然后太陽能技術(shù)也能得到進(jìn)化以滿足經(jīng)濟(jì)的要求。從中工程師可以評估兩者的優(yōu)缺點(diǎn)讓投資者決定支持一方。
直流電
太陽能發(fā)電站的地理位置與國家電流供應(yīng)計劃是明顯不同的。今日煤炭、石油、天然氣和核能的發(fā)電廠遍布各地，與它們需要的資源本身距離在較近的地方。 而美國大部分的太陽能電廠將會建在西南地區(qū)而現(xiàn)在的交流電(AC)網(wǎng)絡(luò)還不足以承載將這些發(fā)電站出來的能源傳送到客戶處，而在傳輸過程中將會損失大量的能 源，所以架設(shè)一種新型的高壓直流電(HVDC)傳輸骨干是勢在必行。
橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)研究表明
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